最新《Science》：填补3D打印领域空白，消除了过大的回溅和稳定熔池动态

来源：材料科学与工程

导读：减少溅射是激光粉末床熔合增材制造中的一个优先考虑的事项。本文作者使用了一个高保真多物理模型，并通过原位X射线和其他实验对其进行了验证，发现了一种新型溅射诱导缺陷的形成机制，消除了过大的回溅和稳定熔池动态。这种结合高保真多物理仿真技术与现场诊断技术的方法，将是促进制造业发展并推动工业4.0革命的不可或缺手段。

如今，最先进的金属3D打印机有望彻底改变制造业，但它们还没有达到最佳的运行可靠性，原因在于复杂的激光-粉末-熔池之间相互依赖的动力学关系。近日，来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的SaadA. Khairallah等人利用高保真模拟，同时结合同步加速器实验，在中纳秒尺度上捕捉快速的多瞬态动力学，并发现取决于扫描策略和激光跟踪与驱逐之间的竞争的新型溅射诱导缺陷的形成机制。相关论文以题为“Controlling interdependent meso-nanosecond dynamics and defect generation in metal 3D printing”5月8日发表在Science上。同时Science还配有一篇评述文章，题目为“Closing the science gap in 3D metal printing”。

论文链接https://science.sciencemag.org/content/368/6491/660

激光粉末床熔合增材制造（L-PB FAM）技术利用激光束扫描微观（~15至100 μm）金属粉末平板上的二维图案，形成熔池轨道与下层熔合，重复分层过程数千次就会构建一个3D对象。因此，很有必要了解和控制激光工艺参数与复杂粉末和熔池动力学之间的相互依赖性，这有助于解决可变性问题，即打印零件不能重复达到合格和认证步骤所需的标准。这种可变性是由于在每一层扫描过程中，在粉末层和熔池中随机产生的各种缺陷（如气孔）的累积造成的。粉末层的研究揭示了由蒸汽驱动的粉末动力学，以每秒数百米的速度逃离熔池凹陷。这种高蒸气通量产生了复杂的气体流动，将松散的粉末颗粒包裹在激光轨道两侧。这一过程有时导致大的缺乏粉末的剥蚀区，并导致85%的粒子溅射观察到火花到肉眼。因此，减少溅射是激光粉末床熔合增材制造中的一个优先考虑的事项。目前，生产没有这些缺陷的零件仍然具有挑战性，探测熔池是通过超高速X射线技术完成的，但这些技术仍然缺乏足够的空间和时间分辨率来充分捕捉熔池形态和微孔的超快动力学。

在本文中，作者使用了一个高保真多物理模型，并通过原位X射线和其他实验对其进行了验证。同时因为使用了全激光跟踪，使得模型提供了2μm尺度的3D温度、速度和其他数据，并且具有预测性。流体力学与纳秒尺度上的热扩散耦合，以准确捕捉高度动态和非线性的激光-粉末和激光-熔池相互作用。然后，作者将可变性问题与瞬态物理状态联系起来，这样的建模结果提供了一个减少溅射，减少空洞和提高L-PBF部件可靠性的策略。

图1.复激光粉末吸收率

图2.激光喷射、自我复制和阴影机制造成的飞溅缺陷

图3.控制轨道飞溅、孔隙和轨道冻结凹陷结束的稳定性判据

图4.在转换扫描策略中控制瞬态锁孔缺陷

总的来说，这项工作减少了可变性问题控制的由复杂激光-粉末-熔池相互依赖动力学产生的随机事件。作者通过稳定判据设定了功率的上限，同时消除了过大的回溅和稳定熔池动态。高保真多物理仿真技术与现场诊断技术相结合，将是引入稳定标准以促进制造业发展并推动工业4.0革命的不可或缺的手段。